304L vs 304H – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Varian 304 adalah salah satu baja tahan karat austenitik yang paling banyak digunakan di industri. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering kali perlu memutuskan antara 304L yang rendah karbon dan 304H yang lebih tinggi karbonnya saat menentukan bahan untuk peralatan tekanan, pipa, penukar panas, atau komponen yang dibuat. Keputusan ini biasanya menyeimbangkan ketahanan korosi dan kemampuan las dengan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep.
Perbedaan praktis inti adalah bahwa 304L dioptimalkan untuk meminimalkan presipitasi karbida selama pengelasan dan layanan (meningkatkan ketahanan korosi intergranular dan kemampuan las), sementara 304H mengandung karbon yang lebih tinggi secara sengaja untuk mempertahankan kekuatan yang lebih besar pada suhu tinggi. Karena kedua grade berbagi matriks austenitik kromium-nikel yang sama, mereka sering dibandingkan dalam desain di mana paparan suhu, jalur fabrikasi, dan kinerja pasca-las adalah faktor penentu.
1. Standar dan Penunjukan
- ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M (lembaran/plat), A312 (pipa) sebagai UNS S30403; 304H — ASTM A240 (A240M) sebagai UNS S30409 atau setara.
- EN (Eropa): EN 1.4306 (304L), EN 1.4948 kadang-kadang digunakan untuk setara 304H atau baja tahan karat austenitik C tinggi lainnya; varian EN nasional merujuk pada pita komposisi.
- JIS (Jepang): Nomenklatur SUS304L dan SUS304H dalam standar tipe JIS G4303/G4312.
- GB (Cina): 06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L setara untuk 304/304L; penunjukan lokal ada untuk 304H.
- Klasifikasi: Keduanya adalah baja tahan karat (austenitik). Mereka bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
| Elemen | 304L Tipikal (wt%) | 304H Tipikal (wt%) | Catatan |
|---|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | 0.04 – 0.10 | 304L dijaga rendah untuk menghindari presipitasi karbida; 304H ditingkatkan untuk meningkatkan kekuatan suhu tinggi. |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 | Mangan adalah penstabil austenit; batas yang serupa. |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 | Silikon untuk deoksidasi; sedikit lebih tinggi untuk 304H. |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 | Batas kotoran; dijaga rendah. |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 | Kotoran; mempengaruhi kemampuan mesin. |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.0 – 20.0 | Elemen utama yang tahan korosi. |
| Ni | 8.0 – 12.0 | 8.0 – 11.0 | Menstabilkan austenit, meningkatkan ketangguhan dan ketahanan korosi. |
| Mo | — / jejak | — / jejak | Varian 304 tipikal tidak termasuk Mo. |
| V, Nb, Ti, B | — | — | Tidak standar untuk 304/304L/304H; grade yang distabilkan khusus (misalnya, 321, 347) termasuk Ti atau Nb. |
| N | ≤ 0.1 (jejak) | ≤ 0.1 (jejak) | Nitrogen mungkin hadir dalam jumlah kecil; meningkatkan kekuatan dan mempengaruhi PREN. |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Kromium (Cr) menyediakan oksida pasif yang bertanggung jawab atas ketahanan korosi. Kedua grade memiliki Cr yang serupa, sehingga perilaku korosi dasar serupa. - Nikel (Ni) menstabilkan fase austenitik dan meningkatkan ketangguhan serta ketahanan korosi; kandungan yang serupa berarti ductility yang serupa. - Karbon (C) mempengaruhi pembentukan karbida: C yang lebih tinggi meningkatkan kekuatan (terutama pada suhu tinggi) tetapi mendorong presipitasi karbida kromium dan kemungkinan korosi intergranular jika tidak dikendalikan dengan baik. - Elemen minor (Mn, Si, N) mempengaruhi kekuatan mekanik dan pengerasan kerja; nitrogen meningkatkan kekuatan dan ketahanan pitting, Mo akan meningkatkan ketahanan pitting tetapi tidak ada.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal untuk 304L dan 304H sepenuhnya austenitik (kubus berpusat muka) dalam kondisi annealed. Karena austenit stabil pada suhu kamar dalam komposisi ini, tidak ada transformasi martensitik selama pendinginan untuk pemrosesan standar.
- 304L: Karbon rendah meminimalkan presipitasi karbida kromium ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) di batas butir selama pendinginan las atau paparan panas yang sensitif (sekitar 450–850 °C). Akibatnya, mikrostruktur tetap bebas dari karbida batas butir yang signifikan setelah fabrikasi umum, menjaga ketahanan korosi intergranular.
- 304H: Karbon yang lebih tinggi meningkatkan gaya pendorong untuk presipitasi karbida selama paparan termal. Pada suhu tinggi, beberapa $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ dapat terbentuk di batas butir, yang dapat secara lokal mengurangi ketahanan korosi kecuali stabilisator atau perlakuan panas pasca-las diterapkan. Namun, kandungan karbon yang lebih tinggi juga meningkatkan penguatan larutan padat dan ketahanan creep pada suhu yang biasanya di atas 500–600 °C.
Respons perlakuan panas: - Annealing (pengelasan larutan penuh diikuti dengan pendinginan cepat) mengembalikan ductility dan melarutkan sebagian besar karbida di kedua grade. Untuk 304H, suhu pelarutan dan kinetika serupa tetapi re-presipitasi saat pendinginan lambat lebih mungkin terjadi. - Normalisasi biasanya tidak digunakan untuk baja tahan karat austenitik karena fase austenitik stabil; sifat mekanik terutama dikendalikan oleh pengerjaan dingin dan annealing larutan. - Pemrosesan termo-mekanis (pekerjaan dingin diikuti dengan anneal) mengubah perilaku hasil dan tarik dengan cara yang serupa di kedua grade, tetapi 304H akan mempertahankan hasil/tarik yang sedikit lebih tinggi pada suhu tinggi.
4. Sifat Mekanik
| Sifat (tipikal, annealed) | 304L | 304H | Komentar |
|---|---|---|---|
| Kekuatan tarik (UTS) | Sekitar sedang; rentang annealed tipikal | Sedikit lebih tinggi dari 304L pada suhu kamar dan suhu tinggi | Kandungan C yang lebih tinggi pada 304H meningkatkan UTS, terutama pada suhu tinggi. |
| Kekuatan hasil (offset 0.2%) | Sedang | Sedikit lebih tinggi | 304H mendapatkan kekuatan hasil dari C dan kemungkinan pengerasan larutan padat. |
| Peregangan (ductility) | Tinggi (kemampuan bentuk yang baik) | Sebanding atau sedikit berkurang | Kandungan C yang lebih tinggi dapat sedikit mengurangi ductility setelah paparan suhu tinggi. |
| Ketangguhan impak | Tinggi pada suhu kamar | Tinggi pada suhu kamar; mungkin turun pada suhu tinggi | Baja tahan karat austenitik mempertahankan ketangguhan yang baik; risiko embrittlement meningkat dengan penuaan termal jangka panjang. |
| Kekerasan | Relatif rendah (annealed) | Sedikit lebih tinggi | Perbedaan modest dalam kondisi annealed; laju pengerasan kerja serupa. |
Catatan: Nilai numerik yang tepat tergantung pada bentuk produk (lembaran, plat, pipa), perlakuan panas, dan pengerjaan dingin. Inti yang perlu diingat: 304H biasanya menawarkan kekuatan yang lebih tinggi pada suhu tinggi dengan mengorbankan ketahanan terhadap presipitasi karbida yang sedikit berkurang dan margin fabrikasi yang sedikit lebih rendah.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las baja tahan karat austenitik umumnya sangat baik karena matriks austenitik mereka dan kecenderungan rendah untuk membentuk martensit.
Pertimbangan kunci dalam pengelasan: - Kandungan karbon penting: karbon yang lebih rendah di 304L mengurangi risiko sensitisasi (korosi intergranular) setelah pengelasan dan memungkinkan penghilangan annealing larutan pasca-las dalam banyak aplikasi. - Karbon yang lebih tinggi pada 304H meningkatkan risiko sensitisasi; kontrol prosedur las (pemilihan pengisi, pendinginan cepat, atau annealing larutan pasca-las) mungkin diperlukan untuk lingkungan korosif atau kepatuhan kode. - Kemampuan pengerasan rendah untuk keduanya; kerentanan terhadap retak dari mikrostruktur keras terbatas.
Rumus empiris yang berguna untuk menilai kemampuan las/kekerasan: - Setara karbon (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Menurunnya kemampuan las berkorelasi dengan $CE_{IIW}$ yang lebih tinggi. - Setara kromium atau Pcm untuk baja tahan karat: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - Pcm yang lebih tinggi menunjukkan kecenderungan yang lebih besar untuk membentuk masalah keseimbangan ferrit/austenit dan dapat menginformasikan persyaratan pemanasan awal/pasca-las.
Interpretasi: - 304L biasanya mendapatkan skor lebih rendah pada indeks sensitif karbon dan lebih disukai di mana integritas las tanpa perlakuan panas pasca-las diperlukan. - 304H mungkin memerlukan kontrol pengelasan yang lebih ketat dalam aplikasi korosif atau terikat kode tetapi menawarkan kekuatan yang lebih baik untuk rakitan las suhu tinggi.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Keduanya 304L dan 304H adalah tahan karat (mengandung ~18% Cr) dan bergantung pada film pasif Cr2O3 untuk ketahanan korosi umum di banyak lingkungan.
- Ketahanan terhadap pitting dan korosi celah sedang karena Mo tidak ada. Untuk evaluasi ketahanan pitting, PREN adalah indeks umum: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Untuk varian 304 (Mo ≈ 0), PREN didorong oleh Cr dan N; dengan Cr yang serupa dan N yang rendah, kedua grade memiliki ketahanan umum dan pitting yang sebanding.
- Risiko sensitisasi: karbon yang lebih tinggi pada 304H mendorong pembentukan karbida kromium di batas butir ketika terpapar pada rentang suhu sensitisasi, yang dapat secara lokal menurunkan ketahanan korosi (serangan intergranular). 304L dipilih untuk mengurangi risiko tersebut.
- Perlindungan permukaan untuk baja non-tahan karat (tidak berlaku di sini) akan mencakup galvanisasi atau pelapisan; untuk grade tahan karat ini, pembersihan, pasivasi, dan penghindaran lingkungan yang mengandung klorida adalah langkah utama.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan bentuk/membengkok: 304L memiliki kemampuan bentuk yang sangat baik dan karakteristik penarikan dalam karena kekuatan hasil yang lebih rendah dan ductility yang lebih tinggi dalam keadaan annealed. 304H masih dapat dikerjakan tetapi mungkin menunjukkan batas pembentukan yang sedikit berkurang.
- Kemampuan mesin: Baja tahan karat austenitik adalah pengerasan kerja dan memiliki kemampuan mesin yang lebih rendah dibandingkan baja karbon. Karbon yang lebih tinggi pada 304H dan potensi peningkatan kekuatan dapat sedikit mengurangi umur alat dan memerlukan alat yang lebih kuat atau umpan lambat; versi potong bebas atau tambahan sulfur meningkatkan kemampuan mesin tetapi mengurangi ketahanan korosi.
- Penyelesaian permukaan: Kedua grade mengkilap dan pasivasi dengan baik; namun, penggilingan atau penyelesaian agresif yang memanaskan permukaan dapat lebih mudah mensensitisasi 304H dibandingkan 304L.
- Fabrikasi pengelasan: 304L umumnya merupakan pilihan yang lebih disukai untuk struktur las kecuali kekuatan suhu tinggi diperlukan.
8. Aplikasi Tipikal
| 304L — Penggunaan Tipikal | 304H — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Peralatan pengolahan makanan, komponen susu dan pabrik bir, wadah farmasi di mana annealing pasca-las tidak praktis dan ketahanan korosi sangat penting | Pipa boiler, bagian furnace, penukar panas, dan komponen yang terpapar layanan berkelanjutan pada suhu tinggi di mana kekuatan/ketahanan creep tambahan diperlukan |
| Wadah proses kimia, pipa dan fitting di lingkungan yang sedikit korosif | Bagian penahan tekanan untuk layanan suhu tinggi dan beberapa peralatan transfer panas petrokimia |
| Trim arsitektur, wastafel, dan peralatan rumah tangga | Rakitan las suhu tinggi di mana kode mengharuskan stres yang diizinkan lebih tinggi pada suhu |
Rasional pemilihan: - Pilih 304L di mana kesederhanaan pengelasan, ketahanan terhadap korosi intergranular, dan pembentukan adalah prioritas yang lebih tinggi. - Pilih 304H di mana kekuatan suhu tinggi yang berkelanjutan dan ketahanan creep diperlukan, dan di mana langkah-langkah pasca-las atau fabrikasi dapat mengendalikan risiko sensitisasi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: 304L diproduksi dan disimpan secara luas; biaya relatif mirip dengan 304 standar tetapi sedikit lebih tinggi karena pemrosesan karbon rendah yang terkontrol. 304H adalah grade yang lebih khusus—biaya material dapat sebanding atau sedikit lebih tinggi karena spesifikasi karbon yang lebih ketat dan kemungkinan volume produksi yang lebih rendah.
- Ketersediaan: 304L tersedia secara luas dalam banyak bentuk produk (lembaran, plat, gulungan, pipa, batang, pengecoran). 304H tersedia tetapi kurang umum di beberapa pasar dan bentuk produk; waktu tunggu untuk bentuk khusus atau jumlah besar mungkin lebih lama.
- Catatan pengadaan: Saat menentukan, sertakan penunjukan ASTM/EN/JIS yang benar dan bentuk produk yang diinginkan untuk menghindari substitusi grade 304 standar atau yang distabilkan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | 304L | 304H |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Sangat baik (risiko sensitisasi lebih rendah) | Baik, tetapi risiko sensitisasi lebih tinggi—memerlukan kontrol |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu kamar) | Ketangguhan baik; kekuatan sedang | Kekuatan sedikit lebih tinggi; ketangguhan sebanding pada suhu kamar |
| Kekuatan suhu tinggi/creep | Sedang | Unggul pada suhu tinggi |
| Ketahanan korosi dalam layanan sensitisasi | Lebih baik (menahan serangan intergranular) | Lebih rendah kecuali dikurangi oleh perlakuan panas/pemilihan pengisi |
| Biaya/Ketersediaan | Tersedia luas; biaya efektif | Spesialis; biaya/waktu tunggu mungkin lebih tinggi |
Pilih 304L jika: - Komponen akan dilas secara ekstensif dan perlakuan panas pasca-las tidak praktis. - Ketahanan terhadap korosi intergranular (misalnya, pipa untuk makanan, farmasi, atau air minum) adalah prioritas. - Kemampuan bentuk yang baik dan penarikan dalam diperlukan.
Pilih 304H jika: - Aplikasi melibatkan layanan suhu tinggi yang berkelanjutan di mana kekuatan tarik atau ketahanan creep yang lebih tinggi diperlukan (misalnya, penukar panas, boiler, komponen furnace). - Rencana pengadaan dan fabrikasi memungkinkan kontrol pengelasan, pemilihan logam pengisi yang kompatibel, dan, jika perlu, annealing larutan pasca-las atau mitigasi alternatif untuk mengelola sensitisasi.
Catatan akhir: Baik 304L maupun 304H adalah pilihan yang valid dalam envelope desain mereka. Tentukan suhu layanan yang dimaksud, lingkungan korosif (paparan klorida, keasaman), urutan fabrikasi, dan kode/standar yang berlaku saat memilih di antara keduanya untuk memastikan keseimbangan yang tepat antara kemampuan las, ketahanan korosi, dan kinerja suhu tinggi.